水凝胶注入增材制造技术实现无粉末陶瓷3D打印突破

    无需使用粉末或复合浆料即可实现陶瓷3D打印？劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）博士生兼研究实习生NatalieYaw对此展开深入研究，其成果近日发表于《无机化学前沿》期刊。该技术基于新兴的水凝胶注入增材制造（HIAM）工艺，为陶瓷成型提供了全新解决方案。

    突破传统铸造局限

    陶瓷材料因其卓越的耐热性、耐化学腐蚀性和机械性能，在航空航天、电子及核能等领域具有不可替代的地位。然而，其成型工艺长期面临效率低、灵活性差等问题，传统技术难以满足复杂构件的制造需求。

    增材制造技术虽能提供更大的设计自由度并减少材料浪费，但陶瓷3D打印的难度远超塑料。现有方法多依赖含电荷的陶瓷墨水，这类材料存在处理困难、稳定性差等瓶颈。

    创新工艺：从凝胶到陶瓷的转化

    NatalieYaw提出的工艺路线颠覆传统：首先3D打印光敏树脂基聚合物凝胶，随后将其浸泡于金属盐溶液中转化为离子水凝胶。经烧制（烧结）工艺去除有机组分后，金属盐转化为金属氧化物，最终形成陶瓷结构。

    这种分阶段处理模式带来多重优势：

    规避粉末处理难题：完全避免直接操作陶瓷粉末或高粘度墨水

    性能可控性提升：通过调节凝胶成分及金属前驱体类型，精准控制陶瓷的密度、孔隙率及力学性能

    材料适应性扩展：支持多材料复合，为功能化陶瓷开发开辟新路径

    研究证实，凝胶配方与金属前驱体的选择对最终陶瓷的微观结构与机械性能具有显著影响。通过参数优化，可实现针对特定应用场景的定制化开发，这一特性在核能或航空发动机等高端领域极具应用价值。

    跨学科协作的典范

    该研究体现了LLNL实验室的协同创新模式。作为暑期研究实习生，NatalieYaw在研究员MarylineKerlin指导下完成该项工作，并以第一作者身份发表首篇学术论文。研究过程中，多学科团队的深度交流为其提供了全新研究视角。

    "与不同领域专家探讨时，我多次产生'尤里卡'时刻，"NatalieYaw表示，"这些碰撞让我从更宏观的维度重新审视项目。"

    尽管HIAM技术目前仍处于基础研究阶段，但其展现出的易用性、高精度与可持续性，预示着陶瓷3D打印可能迎来革命性变革。这项技术有望重新定义高性能材料的设计范式，推动航空航天、能源等领域的创新发展。